[ 생명환경연구지 ] 32(2) : 51~58, 2010. 8. 도시지역토지이용에따른비점오염원유출특성분석 정광욱 1 윤춘경 2* 이한필 3 최재호 3 Analysis of Non-Point Source Pollution Runoff from Urban Land Uses Kwang-Wook Jung 1, Chun-Gyung Yoon 2*, Han-Pil Rhee 3 and Jae-Ho Choi 3 요약 : 비점오염원단위부하량의산정은비점오염원의관리의시행을위한선행조건으로, 이를위해서는과학적인평가방법이수반되어야한다. 따라서본연구에서는도시유역내토지이용별 ( 단독주택지역, 아파트지역, 교육시설, 발전시설, 기타공공시설 ) 로강우유출특성을나타내는유량가중평균농도 (EMC) 및단위부하량의분석을실시하였다. 토지이용별평균 EMC 및단위부하량을분석한결과, 각토지이용별로다른특성이나타났다. 또한초기유출효과를분석한결과, 강우특성에따라서유출현상이발생하였다. 이러한강우자료와 EMC를이용하여비점오염원의단위부하평가가더욱체계적으로연구되어야할것으로사료된다. 주요어 : 유랑가중평균농도, 비점오염원, 단위부하, 모니터링. ABSTRACT : The assessment of non-point source requires an accumulated monitoring data of each land uses as an essential prerequisite for formulating and enforcing a non-point source management system. In this study, we analyze the unit load and event mean concentration (EMC) that represents runoff characteristics of storm water in five land uses (single family, apartments, education facilities, power plants, other public facilities). Since the results of EMC and unit loads analysis show that the characteristics of non-point source pollution is different in each land uses. In addition, the results of first flushing effect analysis show that the phenomenon was occured depending on the rainfall characteristics. This implies that the evaluation of discharge unit-loadings at non-point sources by using rainfall data and EMC needs more systematic researches. Key words : Event mean concentration, Non-point source pollution, Unit loads, Urban runoff monitoring. 서론 공공수역으로유입되는오염원중에서비점오염원은대부분이강우시에오염물질이유출되는특성을지니고있다. 이에반하여점오염원은비교적일정한지점에서일정한양이지속적으로발생하며, 비점오염원에비하여과거부터지속적인관리가이루어져왔다. 비점오염물질은토지이용에따라오염물의발생 과하천으로의유입지점을명확하게지정하기어려우며, 강우시유입량과수질에있어서변화폭이크기때문에수질관리에있어서어려움이있다. 이러한이유로과거수질관리의한계는비점오염원이적절하게관리되지않았기때문이며, 현재비점오염원제어를위한다양한노력이진행되고있다 ( 이은주등, 2006; 정부합동, 2004). 비점오염원에서의오염물질배출량은토지이용형 1 한국수계환경연구소 (Korea Water Environmental Research Institute, Seoul 143-916, Korea) 2 건국대학교대학원환경과학전공 (Dept. of Environmental Science, Graduate School, Konkuk University, Seoul 143-701, Korea) 3 건국대학교대학원환경과학과 (Dept. of Environmental Science, Graduate School, Konkuk University, Seoul 143-701, Korea) * Corresponding author: Chun-Gyung Yoon, Tel.: +82-2-450-3747, email: chunyoon@konkuk.ac.kr - 51 -
정광욱 윤춘경 이한필 최재호 태, 강우인자, 불특정적인오염물질투입상태등에따라다르며, 비점오염물질의유출은강우및유역특성에영향을받기때문에불확실성이고려되어야한다 ( 라덕관등, 1996; Chiew and McMahon, 1999; Deletic and Mahsimivic, 1998; Sartor et al., 1974). 또한일반적인비점오염원의유출농도특성은강우초기에매우높고, 후반부로갈수록낮아지는특성이있다 ( 신창민등, 2004; Bertrand-Krajewski et al., 1998; Wu et al., 1998). 특히도시지역에서의비점오염은불투수성토지이용의비율이높아단위면적당오염부하가크고각종유독성물질을포함하고있으며, 강우유출수유달시간이짧고유출농도가높아강우초기에유량및오염물질이다량유출되는현상을나타낸다 ( 방기웅등, 1997; Field and O'Shea, 1993; Novotny and Chesters, 1981). 이러한비점오염원특성을고려하여유역내에분포하는비점오염발생량의시 공간적분포를우선적으로파악함과아울러수역으로유출되는오염발생량을규명하는것이필요하다. 이를위해서비점오염원현황파악, 토지이용형태별장기적인비점오염물질유출에관한모니터링을통한비점오염물질의조사가요구되고있다. 그러나현재까지비점오염원에대해연구된내용들은일부특정토지이용에서만나타나는유출특성에대해연구되어있어토지비목별비점오염원오염발생량및유출되는수질을규명하기에는누적된자료가많이부족하다. 따라서토지비목별로지속적인모니터링을통하여불확실성이큰비점오염물질유출특성편차를줄이기위한자료의누적이필요하다. 본연구에서는, 2008년부터 2010년까지분류식하수지역의도시유역내에주거지역및공공시설지역의세분류지목별로비점오염원모니터링자료를이용하여토지이용별유출특성을분석하였다. 재료및방법 도시유역내토지이용별로주거지역 ( 단독주택지역, 아파트지역 ) 과공공시설지역 ( 발전시설, 교육시설, 기타공공시설 ) 의총 5개의지역을대상으로 2008 년부터 2010년까지총 30~34 회의강우사상에따른비점오염모니터링을자료를이용하여비점오염유출특성을 분석하였다. 조사대상지역의선정은단일토지이용별로유출특성의분석이가능한지역으로선정하였다. 일정수준이상의유량이확보될수있는배수면적을고려하고, 외부유입수및하수유입이배제된분류식우수관거가설치되어있는지역을선정하였다. 모니터링샘플취득을위한채수시점은각시설의우수관망도를바탕으로주변시설에대한현장정밀조사를통해선정하였다 (Fig. 1). 배수면적및불투수층면적비율은 GPS 기기 (GARMIN GPS V) 를이용하여각지점의모서리좌표를 CAD에입력하고선으로연결하여폴리곤을생성후, GIS 프로그램 (Arcview 3.3) 을이용하여측정하였다. 토지이용별특징으로단독주택지역 (single family) 은불투수층면적비율은약 67% 이며, 약 40세대정도거주하는지역으로주택내정원등일부투수층을포함하고있으나, 불투수층이대부분을차지하고있어강우에대한유출반응이매우민감한특성을가지고있다. 아파트지역 (apartment) 은불투수층면적비율이약 68% 이며, 약 640세대가거주하는지역으로대부분구조물과주차장, 도로등으로구성되어있으며, 공용면적의활용이다른토지이용에비하여활발한특징을보이고있다. 발전시설 (power plant) 은불투수층면적비율이약 83% 로가장높으며, 화력발전용수를이용하여지역난방에이용하고있는공공시설지역이다. 배수구역내에건물및화단등의토지이용은일반적인공공시설지역과비슷한형태를지니고있으나, 화력발전으로인하여발생하는분진의영향이우려되는지역이다. 또, 교육시설 (education) 은약 1,000 명의인원이사용하는공공시설이지만, 인간활동이주로건물내부에서이루어지며일정시간동안만이용하는특징을가지고있다. 불투수층면적비율은약 50% 정도이며, 운동장및일부투수층이배수구역의상당부분을차지하고있으며, 운동장주변에는측구가설치되어우수를배출하도록되어있다. 기타공공시설물 (other public facilities) 로서선정한종합운동장은체육시설건물, 경기장, 주차공간등이있으며, 불투수층면적비율은약 64% 정도차지하고있다. 주요특징으로는구장표면이잔디로포장된투수층을형성하고있다. 유출모니터링은배수구역의유출수가집수되는최종배출구를모니터링지점으로선정하였으며, 신뢰 - 52 -
도시지역토지이용에따른비점오염원유출특성분석 (a) Power plant (b) Education facilities (c) Other public facilities (d) Single family (e) Apartment Fig. 1. Monitoring sites and land uses in the study area. 성높은유량파악을위하여 5분단위로수위와유속을초음파및전자식유량계 (Teledyne ISCO 社, 750 Area Velocity Flow Module, USA) 로측정하였다. 수질분석을위한시료채취는자동채수기 (Teledyne ISCO 社, 6712 automatic water sampler, USA) 를사용하였으며, 강우유출수조사방법의지침에따라샘플을채수하였다. 수질시료분석은유기물질 (DOC, BOD 5, COD Cr, COD Mn), 입자성물질 (TSS), 영얌염류 (TN, TP) 를수질오염공정시험기준에따라서분석하였고, 일부항목에대해서는 Standard Methods 를병행하여분석하였다 ( 환경부, 2008; APHA, 2005). 유량가중평균농도 (Event Mean Concentrations, EMC) 는총오염부하량을총유량으로나누어산정하였으며, 단위부하량은각강우사상으로인한오염물질유출발생시단위면적당발생하는오염부하량으로산정하였다. 수질항목간의상관성을분석하기위하여 SPSS 14를이용하였다. 항목간상관성이가장큰수질항목을기준으로초기유출효과를분석하기위하여누적유출량의비율과누적오염부하량의비율을이용하여분석하였다. 결과및고찰 1. 평균 EMC 및단위부하량분석 2008년부터 2010년연구기간동안의모니터링자료를이용하여평균 EMC 및평균단위부하량을분석하였다. 토지이용별로평균 EMC는유기물질항목에서발전시설, 아파트지역, 기타공공시설, 교육시설, 단독주택지역순서로나타났다 (Fig. 2, Table 1). 발전시설의유기물질 EMC 농도는 DOC 가 27.54 mg/l, BOD 5 는 13.14 mg/l, COD Cr 은 66.76 mg/l, COD Mn 은 15.56 mg/l 가나타났다. 다른시설지역에비하여최소 1.2배에서 6배정도높게산정되었다. 발전시설은주로봄철시기에고농도의오염물질이배출되었으며, 이는토지이용특성상발생되는분진과모니터링지점주변의많은낙엽에서발생되는유기물질이주요원인으로판단된다. EMC 의농도변이가큰이유는늦겨울과초봄시기에축적된분진및낙엽등에서발생한오염물질이축적되어나타난결과로판단된다. 아파트지역은주거지역특성상면적당많은인구의활동이있으며, - 53 -
정광욱 윤춘경 이한필 최재호 가구에서배출하는공용쓰레기장이외부에노출되어있는이유로강우사상이발생시유기물질항목의농도가높게나타나는것으로판단된다. EMC 가가장낮은단독주택지역은활동인구수가다른지역에비하여적으며, 외부에특징적으로노출되어있는유기물질이없기때문에낮게산정되었다고판단된다. 입자성물질인 TSS는교육시설, 발전시설, 아파트지역, 단독주택지역, 기타공공시설순으로나타났다. 교육시설의 EMC는 202.1 mg/l이며, 다른지역에비하여약 4~10 배정도높게산정되었다. 교육시설내에넓은면적을차지하고있는토사질의운동장에서기인한것으로판단되며, 강우시초기의고농도토사입자가 Fig. 2. Comparison of EMCs in each land uses. 유출되는특성을나타내고있다. 영양염류의경우에는기타공공시설, 교육시설, 아파트지역, 발전시설, 단독주택지역순으로나타났다. 기타공공시설의경우, TN은 7.31 mg/l, TP는 0.561 mg/l 로가장낮은단독주택지역과의차이가약 1.5~3 배정도높게산정되었다. 이는잔디운동장의시설관리에서사용되는비료의원인으로판단된다. 교육시설의경우에도 TN은 7.01 mg/l, TP는 0.458 mg/l 이며, 아파트지역의 TN은 5.81 mg/l, TP는 0.267 mg/l로산정되었다. 발전시설의경우, TN은 5.44 mg/l, TP는 0.215 mg/l 가, 단독주택지역의경우에는 TN은 5.39 mg/l, TP는 0.18 mg/l 이다. 아파트지역, 발전시설, 단독주택지역의경우편차가그리크지않으며, 교육시설의경우에도화단등의비료성분으로인하여세지역에비하여높게산정되었다고판단한다. 토지이용별로단위부하량의평균은유기물질항목에서기타공공시설, 아파트지역, 단독주택지역, 발전시설, 교육시설순으로나타났다 (Fig. 3, Table 2). BOD 5 의경우발전시설이주거지역보다단위부하량은많지만, 그차이는약 0.1 kg/ha 정도의작은차이를보여주고있다. 기타공공시설은다른토지이용도보다유기물질항목에대한단위부하량이높게산정되었으며, 시설내에잔디로이루어진운동장시설의특징으로인한영향이라판단된다. 잔디운동장의경우, 관리를위한비료및살충제의이용이이루어지고있으며, 암거배수시설로인한유출이지속적으로발생되기때문이라판단된다. 교육시설은토사로이루어 Table 1. Average of EMCs in each landuses (mg/l) DOC BOD 5 COD Cr COD Mn TSS TN TP Single family Avg. 5.81 4.39 13.1 6.44 22.8 5.53 0.183 (n=32) S.D 4.57 2.98 10.86 3.5 26.2 4.03 0.159 Apartment Avg. 11.27 7.44 39.31 12.5 39.3 5.84 0.275 (n=34) S.D 14.73 8.95 30.35 8.78 36.1 5.27 0.178 Power plant Avg. 27.54 13.14 66.76 15.56 55.0 5.44 0.215 (n=32) S.D 55.69 17.08 112.56 20.29 55.8 5.48 0.209 OPF Avg. 9.86 6.29 41.85 9.84 18.1 7.31 0.561 (n=30) S.D 9.05 5.04 34.9 7.5 13.2 8.19 0.973 Education Avg. 4.48 4.56 23.01 7.68 202.1 7.01 0.458 (n=32) S.D 3.58 3.84 17.25 4.94 196.5 7.61 0.401-54 -
도시지역토지이용에따른비점오염원유출특성분석 Table 2. Average of Unit loads in each landuses (kg/ha) DOC BOD 5 COD Cr COD Mn TSS TN TP Single family (n=32) Apartment (n=34) Power plant (n=32) OPF (n=30) Education (n=32) Avg. 1.16 0.84 5.19 1.59 9.2 1.24 0.072 S.D 2.07 1.39 9.3 2.74 23.6 2.42 0.197 Avg. 1.3 0.9 6.49 1.96 7.28 1.06 0.063 S.D 2.75 1.47 11.16 3.48 15.2 2.16 0.137 Avg. 1.16 0.90 5.17 1.06 8.2 0.66 0.049 S.D 1.68 1.2 8.83 1.5 17.9 1.5 0.141 Avg. 1.5 1.15 8.42 2.08 5.2 1.66 0.273 S.D 1.87 1.38 13.05 2.8 8.6 2.95 0.996 Avg. 0.85 0.71 4.64 1.34 48.9 1.29 0.123 S.D 1.82 1.16 8.64 2.34 128.4 2.6 0.291 내려가는현상보다지속적으로배출되는오염원의영 향을받는것으로판단된다. Fig. 3. Comparison of unit load in each land uses. 진운동장때문에불투수층면적비율이낮기때문에유출량이다른토지이용보다적어부하량이낮게산정되었다고판단된다. 영양염류의경우, 기타공공시설, 교육시설, 단독주택지역, 아파트지역, 발전시설순으로나타났다. TN보다는 TP의차이가토지이용별로크게나타났다. 기타공공시설의천연잔디관리시사용되는비료물질들은강우발생시암거배수계통으로지속적인유출이발생하며, 이는후반부에고농도로나타나는유출특성을보이고있다. 교육시설의경우, 화단등의시설에따른영향과토양입자에부착된인의영향으로인하여높은단위부하량이산정되었다고판단된다. 영양물질의경우에는유기물질항목과다르게강우사상으로발생하는유출현상에쓸려 2. 수질항목간상관분석및초기유출효과분석초기유출효과 (first-flush effect) 분석에있어서모니터링한모든수질항목에대하여적용하는경우, 수질항목간유출특성의차이로인하여결과해석에어려움이있다. 신뢰성이높고정밀한해석을위해서는초기유출효과분석에앞서수질항목간상관분석을통해대상물질을선정함으로써분석기법을적용하는것이효율적이라고판단된다. 통계용전산프로그램인 SPSS(Ver. 12) 를이용하여수집된자료에대한상관분석을실시하였다. Table 3은모니터링지점별로수질항목간의 Pearson 상관계수를분석한결과이다. 분석결과에따르면일부모니터링지점의몇몇항목을제외한모든항목이유의수준 1% 에서양의상관성을나타내었는데, 이는비점오염원의오염물질별배출특성이서로유사하다는것을의미한다. 상관분석결과, 모니터링을통해측정한오염물질중 COD Cr 이다른수질항목과비교적높은상관성을나타내었기때문에, 본연구에서초기유출효과분석을위한수질항목으로선정하였다. 강우에의한오염물질유출특성을파악하기위하여누적오염부하량비율을이용하여분석하였다 (Fig. 4). 강우기간중특정시간동안의누적유출량 (Q(t)) 대총유출량 (ΣQ(t)) 의비율과누적부하량 (L(t)) 대총부하량 (ΣL(t)) 의비율을비교하여이후기울기가 1보다크면초기유출현상이강한것이며, 기 - 55 -
정광욱 윤춘경 이한필 최재호 Table 3. Pearson correlation coefficient among EMCs of pollutants DOC DOC BOD 5 COD Cr COD Mn TSS TN TP Pearson's r 1.000 0.806 0.825 0.783-0.035 0.055 0.135 Significance level - 0.000 0.000 0.000 0.659 0.488 0.088 n 160 160 160 160 160 160 160 BOD 5 Significance level - 0.000 0.000 0.672 0.404 0.077 Pearson's r 1.000 0.804 0.817 0.034 0.066-0.140 n 160 160 160 160 160 160 COD Cr Significance level - 0.000 0.793 0.363 0.020 Pearson's r 1.000 0.879 0.021 0.072 0.184 CODMn TSS TN TP n 160 160 160 160 160 Pearson's r 1.000 0.000 0.133 0.227 Significance level - 0.995 0.094 0.004 n 160 160 160 160 Pearson's r 1.000 0.156 0.270 Significance level - 0.048 0.001 n 160 160 160 Pearson's r 1.000 0.243 Significance level - 0.002 n 160 160 Pearson's r 1.000 Significance level - n 160 (a) Single family (b) Apartement (c) Power plant (d) Education Fig. 4. COD Cr mass first flush relative to runoff flow in each land uses. (e) Other public facility - 56 -
도시지역토지이용에따른비점오염원유출특성분석 울기가 1보다작은경우는초기유출효과가명확히나타나지않는것으로해석하였다 ( 신창민등, 2004). 분석결과에따르면모든모니터링지점으로부터대부분의경우기울기가 1보다크게나타났으나, 일부명확치않은경우가있는것으로확인되었다. 단독주택지역과아파트지역은비교적많은경우에서뚜렷한초기유출현상이나타났으나, 간혹유출중기이후높은농도를나타내는경우가있었다. 주거지역의경우, 원인불명의오염물질의유입혹은화단등의관리를위하여살포된특정비료성분등의영향을받았을것으로판단되며, 아파트지역에서더욱초기유출현상이뚜렷한것은아파트지역이공동주거단지특성상인구가많으며, 공용면적에대한사용이빈번하기때문일것으로판단된다. 발전시설은토지피복형태의불투수층면적이많으나, 확연히높은수준의초기유출효과현상이나타나지않았다. 이는다른지역에비하여완만한지형적인자에의하여강우에대한유출특성이큰영향을받을뿐만아니라, 배수구역내도로가까이낮은화단의투수층으로부터의유출도상당부분영향을미치는것으로판단된다. 결론 주거지역및공공시설에대해 2008 년부터 2010 년까지 30~34 회강우사상에서발생한비점오염물질을관측하였다. 도시유역의비점오염유출특성분석의결과는다음과같다. 토지이용별평균 EMC 및단위부하량을산정한결과, 유기물질항목들은발전시설, 입자성물질항목은교육시설, 영양물질항목은기타공공시설에서 EMC가가장높았다. 늦겨울과초봄시기에축적된분진및낙엽등에서발생한오염물질이축적되어있는발전시설의오염물질이강우시쓸려내려오는현상이원인으로판단되며, 교육시설의경우에는토사로이루어진운동장에서배출되는입자로인하여높은 EMC 가산정되었다고판단된다. 기타공공시설의경우에는잔디운동장의관리를위한비료성분이암거배수형태를따라지속적으로유출되어나타난현상으로판단된다. 이러한암거배수형태는높은단위부하량의원인으로도판단된다. 또한아파트지역의 EMC도주거지역내에서가장높게산정되었으며, 이는단위면적당인구밀집도가높고공용지역 의사용도가다른지역에비하여많기때문이라판단된다. 또한, 도시유역유출특성을파악하기위하여초기유출효과를분석하였다. 수질항목간의상관분석을통하여대표수질항목을 COD Cr 으로선정하여토지이용도별비교결과, 전지점에서초기유출현상이발생하였으며, 아파트지역의경우가장뚜렷한현상이나타났다. 이는공동면적의이용및유출패턴에따른현상으로판단되며, 불투수층면적이가장많은발전시설의경우확연히높은수준의초기유출효과를나타나는않았다. 이는배수구역내투수층지역의지형적위치의영향을받은것으로판단된다. 주거지역및공공시설은도시유역의특성상토지피복도의불투수지역면적비율이비교적높지만, 토지이용특성의차이가있기때문에유출특성을명확하게판단하기에는장기간의관측과분석이필요하며, 보다효율적인비점오염원관리를위하여모니터링조사의자료의축적과관리도함께필요하다. 사사 본연구는한강수계환경기초조사사업 ( 주요비점오염원유출장기모니터링및저감기법연구 ) 의일환으로수행되었음. 인용문헌 1. 라덕관, 김기성 (1996) 수질에미치는비점오염원의영향. 공업기술연구소논문집, 10(10):139-149. 2. 방기웅, 이준호, 유명진 (1997) 도시소유역에서의비점오염원유출특성에관한연구. 한국수질보전학회지, 13(1):79-99. 3. 신창민, 최지용, 박철휘 (2004). 도시지역에서의토지이용별비점오염물질유출특성. 대한환경공학회지, 26(7):729-735. 4. 이은주, 고석오, 강희만, 이주광, 이병식, 임경호, 김이형 (2006). 포장지역에서의강우사상별 EMC 산정및단순샘플농도와의비교. 한국물환경학회지, 22(1):104-109. 5. 정부합동 (2004). 4대강물관리종합대책추진강화를위한 4대강비점오염원관리종합대책. 6. 환경부 (2008). 수질오염공정시험기준. - 57 -
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